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强透水砂层运营地铁隧道正上方基坑施工关键技术

文档作者：丛竺1，杨小平1’2，刘庭金1’2 文档来源： 1．华南理工大学土木与交通学院 2．亚热带建筑科学国家重点实验室，广		点击数：	更新时间： 2025年05月08日
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2015年7月上施工技术
第44卷第13期c0NsTRucTl0N TECHNOLOGY 5 l
DOI：10．7672／s舀s201513005l
强透水砂层运营地铁隧道正上方基坑施工关键技术
丛竺1，杨小平1’2，刘庭金1’2
(1．华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640；2．亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州510640)
[摘要]某运营地铁盾构隧道上半部分主要处于富水的中、粗砂强透水地层，由于垂直于隧道走向的两侧地下连续
墙无法插入隔水地层，如何有效形成封闭的基坑止水体系，并实现运营地铁隧道的安全保护，是隧道正上方基坑施
工的关键技术问题。通过对无法插入隔水地层的两侧地下连续墙外侧砂层实施冻结法以形成止水帷幕，隔断了基
坑内、外侧的水力联系；通过采用三轴水泥土搅拌桩加固基底下方至隧道上方的砂层，控制地铁隧道位移，并加强
基坑竖向止水效果。监测表明，运营地铁盾构隧道的最大位移量为一2．3mm，满足地铁安全保护要求。
[关键词】地铁；隧道；基坑；盾构；止水措施；冻结法；施工技术
[中图分类号]Tu753 [文献标识码】A [文章编号】1002—8498(2015)13·005l-05
Key Technology of Foundation ExcaVation Construction AboVe operation
Subway Tunnel in Strong Permeable Sand Stratum
Cong Zhul，Yang Xiaopin91一，Liu Tingjin’·2
(1．sc，lDoz D，C谢Z E增i胱eri昭口，ld‰，印onn砌n，勘uf^c^i儿口c，ni口已邢渺矿扎cJII，10如gy，Gu口，彬^Du，
G￡‘口增dong 5 l 0640，C妇Io；2．St口把‰y h60mto哆0，Su胁Dp如nf ArcI|l厶ecIl‘陀Sc拓，Ice，
G加，咿JIlDu，Gu口凡gdo增510640，傩i加)
Abstract：Top half of an operation subway tunnel which mainly lies in the strong pe珊eable medium—
coarse sand stratum． Since the two sides of the continuous concrete wall that aI℃perpendicular to the
subway tunnel can not be insened into the impemeable layer． It is a key technical pmblem tllat how to
make a enclosing waterpmof system in foundation excavation e矗．ectively and achieve security and
protection for operation subway tunnel． The fo瑚ed waterproof curtain by fbezing met}lod in the sand
layer， outside which the continuous concrete wall can not be insened into the impemeable layer． It
isolate hydraulic connection inside and outside the fbundation excavation． The sand layer between tIle
foundation excaVation and the subway tunnel is reinforced by triaxial cement—soil mixed piles to control
the defomation of the subway tunnel e矗奄ctively． The monitoring data indicates that the maximum
defo册ation of the operation subway shield tunnel is 一2．3 mm，which meets the requirements of subway
tunnel security．
Key words： subways； tunnels； foundation excavation； shields； waterproof method；
method：constllJction
0 引言
随着国内地铁的大规模建设和开通运营，以及
城市下穿地道的大量修建和地铁沿线物业的高强
度开发，在运营地铁隧道上方进行基坑开挖的工程
将越来越多。满足地铁安全运营的保护要求，将成
为严重制约隧道正上方基坑开挖的关键技术问
[作者简介]丛竺，硕士研究生，E—mail：691120770@qq．com
[通讯作者]刘庭金，博士，副教授，E-mail：liu-tingjin@163．com
[收稿日期】2014_08．1l
freezing
题⋯。文献[2击]针对运营地铁隧道上方基坑工程
设计和施工的相关技术和控制措施进行了研究。
地铁隧道正上方基坑能否形成封闭的止水体系，是
确保地铁隧道安全的关键所在。隧道周边若为不
透水地层，将极大地有利于地铁隧道的安全保护；
若隧道周边为强透水地层，则将不利于地铁隧道的
安全保护，如何形成封闭的基坑止水体系将是关键
所在。冻结法作为地层止水和地层加固的一种技
术措施，已在地铁隧道的联通通道和盾构端头井加
万方数据
52 施工技术第44卷
固等工程中得到了广泛的应用⋯⋯。
目前，针对强透水地层条件下运营地铁盾构隧
道正上方进行基坑施工的相关报道较少。某运营
地铁盾构隧道下卧不透水的强、中风化粉砂质泥
岩，隧道上半部分及隧道上方则主要处于富水的
中、粗砂强透水地层，由于垂直于隧道走向的两侧
地下连续墙无法有效插入隔水地层，因此，如何有
效形成封闭的基坑止水体系，并实现运营地铁隧道
的安全保护，则是严重制约在隧道正上方进行基坑
施工的关键技术问题。
为此，本文以某上穿运营地铁盾构隧道的市政
工程为例，从地铁隧道安全保护技术角度出发，详
细介绍了该基坑工程的主要特点、工程地质条件、
冻结法止水方案、主要的地铁保护措施以及地铁隧
道位移监测结果，以期为今后类似强透水地层条件
下运营地铁盾构隧道正上方基坑工程的设计和施
工提供借鉴。
1 工程概况
某市政隧道为双向六车道，全长520m，其中敞
开段长350m；遮光段长40m；暗埋段范围为K2+
510—K2+640，共长130m。暗埋段采用整体式矩
形框架钢筋混凝土结构，敞开段采用U形坞式钢筋
混凝土结构。
市政隧道垂直上穿已运营的地铁盾构隧道，盾
构隧道外径为6．0m，左、右线隧道净距约6．9m。地
铁隧道上方覆土约16．0m，上方基坑开挖深度约
9．6m，地铁隧道结构顶距离基坑底约6．4m。基坑
平面上分为东、西2个区域，先施工西侧区域，待其
主体结构全部施工完成后，再施工东侧区域，深度
方向上分层开挖。基坑支护结构采用800mm厚地
下连续墙+2道支撑，其中第l道钢筋混凝土支撑
距地面0．5m，第2道钢管支撑距离第1道支撑
4．5m。基坑四周设置了800mm厚地下连续墙，两
隧道中间为西1 000@1 270的旋挖桩，东、西两侧的
地下连续墙和中间的旋挖桩均要求深入基岩，以确
保形成基坑止水体系。地铁隧道正上方基坑第1，2
道支撑平面如图1所示，基坑与下方盾构隧道关系
剖面如图2所示。
垂直于地铁隧道走向的基坑两侧(南北侧)的
地下连续墙墙底距离地铁隧道结构顶约1．0m，隧道
上方地层为强透水的中、粗砂地层，基坑无法形成
封闭的止水体系，为有效封闭基坑并控制坑底隆
起，针对基坑底至距离地铁隧道结构顶2．0m范围
内约4．0m厚的地层采用咖850@600三轴水泥搅拌
桩进行满堂加固，水泥掺量为20％；同时，针对基坑
南北侧的地下连续墙外侧范围采用冻结法形成止
： l： ： l高压旋喷桩
I l
西区先施工
I I I I
地铁隧道地铁隧道
a第l道支护结构
b第2道支护结构
图l 基坑支护结构平面布置
Fig．1 The plan layout of fbundation excaVation
suppOrting structure
型够一钢支撑崔
b Ⅲ
‘：i．+jo～：．、j? j．_’oo，·j．鼍o
·■．水泥土搅拌桩．· !水强击磐警够；j： o
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陋铁隧狙
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k下谇缝墙一≮掺排撤下谇续《．
琴国薹篓主土
：收
：：崮粉质黏土层
7l雪砂质泥岩国黜
图2基坑与盾构隧道关系剖面
Fig．2 The section of foundation excaVation
and the shield tunnel
水帷幕。为尽可能减小基坑土方开挖对下方隧道
的影响，要求地铁隧道正上方约30m长的基坑采取
分段分期施工。
2工程地质条件
场地原始地貌属三角洲海陆交互相沉积阶地，
地势较平整。根据钻孔揭露，本场地区岩土层按成
因可划分为：①人工填土层；②第四系海陆交互相
冲积层；③古近系、白垩系和风化基岩3个成因层。
土层从上至下分别是：素填土(厚度约2．5m)一淤
泥质土(厚度约5．0m)一中砂(厚度约9．0m)一粉
怂棒嘞●■筋I—I
i，
万方数据
丛竺等：强透水砂层运营地铁隧道正上方基坑施工关键技术53
质黏土(厚度约3．0m)一风化岩层。
地铁盾构隧道下卧不透水的强、中风化砂质泥
岩，隧道上半部分及隧道上方则主要处于富水的
中、粗砂强透水地层。
地下水主要有第四系冲淤积松散层中赋存的
孔隙潜水，主要含水层有粉砂层及中砂、粗砂层；人
工填土层及顶部淤泥质土中赋存有上层滞水；基岩
裂隙水含水微弱或较小。地下水主要靠地下水循
环补给，其次靠大气降水渗入补给及附近地表水体
向下渗入补给，地下水埋深约1．0m。
3 冻结法止水帷幕方案
3．1 总体方案
为确保基坑施工不影响地铁的正常运营，针对
垂直于地铁隧道上方无法施工至不透水地层的连
续墙部位外侧，增加了冻结止水帷幕。冻结止水帷
幕平面布置如图3所示。通过以氯化钙溶液为载体
将地层内的热量带到制冷站进行热交换，以形成冻
结止水帷幕，隔绝基坑内、外侧的水力联系。
图3冻结止水帷幕平面布置
Fig．3 The pIan layout of freezing waterproof curtain
根据现场总体施工情况，在连续墙施工后，接
着组织冻结法施工。首先进行冻结孔钻孔施工和
冻结站的安装，按基坑开挖施工进度安排冻结加固
施工。
采用垂直局部冻结加固止水方案，即：沿14．3m
深地下连续墙外侧布置冻结管，采用局部冻结工艺
加固地层，形成冻结止水帷幕，隔绝基坑内外侧的
水力联系，确保基坑开挖安全。经过冻结后，通过
测温孔观测计算，确定冻结达到截水要求后，再进
行基坑开挖施工。冻结帷幕剖面布置如图4所示，
施工工艺流程如图5所示。
3．2冻结设计
根据冻结壁的暴露时间长短确定冻结壁平均
温度为一8℃，暴露时间较短，对冻结墙的强度和变
形影响较小。冻结壁厚度：与隧道结合范围为
2．0m，其他部位为1．2m，与管片胶结面处厚度≥
1．0m。每区的冻结宽度31．0m，垂直局部冻结范围
冻结帷幕水泥土搅拌桩
亢唐＼
桩店
一‘
童
l甄k∥ ≮∥
地铁隧道地铁隧道
3l }00
图4冻结止水帷幕剖面布置
质泥岩
质泥岩
图5冻结法主要施工流程
Fig．5 Main construction process of fteezing method
一3．5～一12．0m，以开挖底板至进入强风化岩不透
水层0．5m为准。在地下连续墙外侧0．8m和1．6m
处布置2排冻结管，呈梅花形布置，孔间距为0．8～
1．0m。在南北侧两个冻结区各57个，总计114个，
总长度约2 066m。布置20个测温孔，计358m。冻
结管采用咖127×8无缝钢管，供液管、回液管采用
弘5×3．5无缝钢管，成孑L后应进行密封性水压力
测试。
冻胀处理措施：在冻结帷幕外围1．0m处布置
泄压孔，泄压孑L间距2．0m，每侧布置11个泄压孔，
钻到设计位置后，用优质泥浆充填护壁。当冻胀力
产生时，通过泄压孔直接向地面释放地层过高压
力，以减少可能对隧道的挤压影响。融沉控制：因
周围地表环境要求高，采取强制解冻方法，利用信
息化监测系统监测土体温度、沉降变化，利用注浆
管进行压密注浆。
3．3冻结法的潜在风险
1)冻结帷幕与正在运营的地铁隧道正胶结，冻
结主要起止水作用，但运行隧道活塞风较大，冻结
帷幕与隧道胶合面散热量大，对冻结效果影响很大。
土
土砂砂
土质
Ⅸ素淤中粗粉强微 m填泥砂质风 黏化化 心溷惕搦圈吲旧蚓詹禺冒扈
w～彭
7
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3，一7
9
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O
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8
2
5
7
M
万方数据
54 施工技术第44卷
2)地层已进行三轴搅拌加固，冻结孔布置在搅
拌加固体的一侧，地层软硬不均，易造成钻孔困难
和成孔易偏斜现象，对成孔精度有很大的影响。
3)在已运营的地铁隧道上部钻孔，有潜在钻通
隧道结构的风险，需采取可靠的施工措施避免。
4)冻结期的冻胀和后期的融沉可能会对正在
运营隧道有一定的影响。
3．4主要技术措施
1)钻孔前，对每个孔的长度和地面及孔底标高
进行细化分析，在隧道顶上部1．Om以上段采用牙
轮钻头钻孔，以克服地层软硬不均的影响，保证钻
孔垂直度和提高钻孔效率。
2)在隧道上部的孔可能偏斜碰到隧道冻结孔，
提前在地面配好钻杆长度，详细记录钻进深度，根
据设计尺寸当离隧道还有1．0m时，改换三翼钻头，
钻头上不配硬质合金(钻不动隧道管片)，慢慢钻至
设计深度，同时根据钻进扭矩和进尺速率判断是否
到达隧道边缘。造孔钻孔冷却管及测温管采用
咖60mm钻杆，成孔直径152mm，泄气孔采用咖79mm
钻杆，成孔直径242mm。
3)本冻结区域土体为砂层、粉质黏土层和风化
岩，含水量和渗透系数小，同时上部土层已进行搅
拌桩加固，土性被改良，综合分析此工程弱冻胀情
况。冻结帷幕的外侧没有受限，冻胀力可以得到及
时释放，不会产生较大的冻胀力。为安全起见，在
冻结帷幕外围布置若干泄压孔，当冻胀力产生时，
通过泄压孔直接向地面释放地层过高压力，以减少
可能对隧道的挤压影响。
4)在解冻期，因冻结在隧道上半部，冻结区的
上部地层会受融沉影响，解冻过程对隧道几乎不会
构成影响。另外停止冻结后，在拔出冻结管的冻结
孔内埋人注浆管，根据解冻情况向地层内注浆，可
以有效地控制融沉对地层的影响。
4地铁保护主要措施
由于基坑开挖距离地铁盾构隧道较近，为减少
基坑施工过程对地铁隧道的扰动，采取了以下保护
措施。
1)隔离墙地铁隧道两侧采用地下连续墙，距
E
E
簿
a
离地铁隧道5．0m；地铁隧道中间采用旋挖桩。地下
连续墙与旋挖桩均深入微风化岩层，以有效形成基
坑止水体系。
2)在地下连续墙内、外侧进行三轴搅拌桩施
工，并先于地下连续墙施工，以起到止水及地下连
续墙护壁作用。
3)基坑底土体加固坑底4．0m范围内采用搅
拌桩满堂加固。搅拌桩与地下连续墙、搅拌桩与旋
挖桩问的空隙进行注浆，以完全封闭基坑。
4)对无法插入隔水地层的两侧地下连续墙外
侧砂层实施冻结法以形成止水帷幕，有效隔断了基
坑内、外侧的水力联系。
5)基坑要求实现分块、分层、分条、限时开挖。
6)抗隆起板分条开挖时，每条开挖完成后及
时浇筑该条垫层及抗隆板。抗隆板应与地下连续
墙和旋挖桩有效连接，以控制基坑隆起、减少对地
铁隧洞的影响。
7)桩基托换市政隧道施工完成后完全坐落
于地下连续墙和旋挖桩上，以减少市政隧道通车期
间对地铁隧道的影响。
5地铁隧道位移监测结果
为确保基坑施工期间下方地铁的运营安全，对
下方地铁盾构隧道进行了三维位移自动监测工作。
其中戈方向为隧道纵向，y方向为水平面上垂直于
隧道纵向，石方向为隧道竖向。戈为“+”表示监测
点在水平面上向南移动，为“一”表示向北移动；，，为
“+”表示水平面上向东移动，为“一”表示向西移
动；z为“+”表示竖向向上移动，为“一”表示竖向
下沉。
左、右线地铁隧道的位移曲线如图6，7所示。
截止到2013年12月28日(正上方基坑已完成回
填)，左线隧道的最大位移量为一2．3mm(z方向)，
位于隧道里程zDK2+468；右线隧道的最大位移量
为2．2mm()，方向)，位于隧道里程YDK2+490。其
中隧道里程Z／YDK494—522为基坑的正下方范围。
基坑施工期间地铁隧道的位移监测数据较小，满足
地铁安全运营要求。
实践表明，采用的冻结法止水帷幕和三轴搅拌
{|参嘲嚼2 里程／n1：筮雾瘩j
b 1．方向1卜-监测点5
图6左线地铁隧道位移曲线
c：方向
560
点1
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万方数据
丛竺等：强透水砂层运营地铁隧道正上方基坑施工关键技术55
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b y方向
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图7右线地铁隧道位移曲线
Fig．7 DispIacement curVes of subway tunnel of right route
桩封底措施，有效隔断了基坑内、外侧的水力联系。
6 冻结帷幕下方管片渗漏现象
地铁隧道现场调查结果表明，下方盾构隧道结
构整体完好，未出现管片结构开裂、错台等病害现
象，但在基坑南、北侧冻结帷幕下方盾构管片接缝
处出现了渗漏水现象，且主要表现为管片环向接缝
处渗漏水。推测发生渗漏水的主要原因为：由于盾
构隧道管片接缝处采用橡胶密封垫防水，当温度降
低时，沿隧道走向方向的管片产生收缩，导致环向
接缝处密封垫的接触压力有所减小，进而产生了环
向渗漏现象。而沿隧道径向，则由于隧道受外侧土
体的冻胀力作用，导致盾构隧道纵向接缝部位的接
触压力有所增大，因此，盾构隧道纵向接缝处未发
现明显的渗漏水现象。
7 结语
强透水砂层条件下运营地铁盾构隧道正上方
基坑由于两端地下连续墙无法深入隔水地层，难以
形成封闭的基坑止水体系，通过对隧道正上方地下
连续墙外侧一定范围内的土体采用冻结法形成止
水帷幕，采用三轴搅拌桩加固基底下方砂层，有效
地进行了运营地铁隧道的安全保护。本工程实践
的成功经验，可为今后类似强透水地层条件下运营
地铁盾构隧道正上方基坑工程的设计和施工提供
借鉴。
鉴于冻结帷幕下方盾构隧道管片环向接缝部
位出现了一定程度的渗漏水现象，建议今后开展冻
结法对盾构隧道管片接缝张开量影响的研究，开展
冻结帷幕下方管片接缝张开量的现场测试工作，并
加强冻结温度的精细化控制。
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(上接第42页)
化情况，在振压加固效果分析方法上取得了可以借
鉴的研究成果，修改的能量吸收计算方法在地基加
固分析评价中是一次新的尝试。试验结果表明，在
1．0m厚度范围内，振动能量很快减少到18．4％，振
动碾压的有效加固厚度为1．0 m；换填垫层的下层
土层经事前碾压后强度提高，确保了换填垫层的最
佳压实效果。
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